什么是光电融合？

什么是光电融合？

2025/10/22

AIST于2025年4月启动了“光电融合研究中心”。世界各地的主要半导体制造商也开始了与光电融合相关的全面技术开发，人们认为我们终于进入了实际应用阶段。光子学和电子学融合技术有望成为帮助日本半导体产业与世界竞争的利器。我们采访了光电融合研究中心主任 Ken Amano，了解了光电融合技术的现状、挑战和未来前景。

什么是光电融合？

用“光”代替计算机中流动的“电”

　随着AI（人工智能）的传播和进步，全球对执行AI处理的高性能计算机的需求不断增加。诸如生成式人工智能之类的高性能人工智能需要大量的信息处理。虽然高性能计算机可以处理人工智能所需的大量信息处理，但它们也会消耗大量电力。用于AI处理的功耗预计将持续增加，如何降低功耗已成为重要主题。

　计算机的功能由各种半导体（半导体器件）组成，例如作为计算机大脑的“CPU”、执行AI相关处理的“GPU”以及存储信息的“存储器”。无数的电信号在半导体电子电路内和半导体之间交换。需要电力来交换电信号，即控制电子设备。需要处理的信息越多，来回发送的电信号就越多，消耗的电量也就越多。

　随着计算机耗电量的增加，“光电融合”技术引起了人们的关注。这是一种将处理光信号的电路和处理电信号的电路结合在一起的技术，以用光信号代替计算机内交换的电信号。光信号的特点是传输过程中的衰减（能量损失）比电信号小得多。如果我们能用光信号代替计算机交换的电信号，我们就可以节省能源。

替换为光信号还有加速的优点

　光电融合的好处不仅仅是节能。光信号的优点是能够比电信号一次传输更多信息（容量更大）。当传输大量数据时，电信号一次可以传输的信息量有限，因此需要对数据进行临时压缩或转换，但光信号不需要这样做。由于传输等待时间减少（低延迟），因此可以缩短（加速）整体信息处理时间。缩短处理时间最终可以节省能源。

光电融合的现状与挑战

从研发到实际应用阶段

　2025年3月，美国主要半导体制造商NVIDIA宣布将开发一款利用光电融合技术的新型半导体芯片。可以说，光电汇聚技术已经从研发阶段走向实际应用阶段。

　使用光纤（光线路）的通信网络作为用光信号代替电信号的技术已经被广泛应用。从广义上讲，这可以称为光电融合，而目前正在开发实用化的光电融合技术，旨在用光信号代替计算机内部的电信号。具体来说，我们正在尝试将板（半导体芯片组）之间的信号以及板内半导体芯片之间的信号从电改为光。

连接大量光纤需要新技术

目前，通过将半导体（集成光学芯片）附加到转换电信号和光信号的板的外部，将板之间的信号转换为光信号。下一步是将集成光学芯片集成到电路板中而不是外部。为了实现这一目标，需要一种称为“光电共封装”的技术，该技术将处理光信号的半导体和处理电信号的半导体结合在一块板上。

　为了实现光电共封装，需要缩小集成光学芯片的尺寸并提高其性能，并建立将大量近1000根光纤精确连接和布线到半导体芯片的技术。光纤连接和布线是迄今为止半导体制造中尚不存在的技术，需要开发新技术。

AIST 的举措

结合AIST和日本制造商的技术

　AIST旨在与企业合作，讨论与光电融合相关的技术开发和社会实施。下一代绿色数据中心设备和系统委员会''（GDC 委员会）于 2022 年启动。参与的公司超过 50 家，包括电子制造商和化学品制造商（截至 2025 年 4 月）。

　AIST一直专注于控制光的“光子学”（光学工程）的研究和开发。然而光电融合技术也需要电子技术。 GDC理事会是在光方面具有优势的AIST和在电力方面具有优势的企业联手提高日本光电融合技术的项目。

　到目前为止，光子学和电子学的研究和开发基本上都是独立进行的，因此目前的情况是每个研究人员对彼此的技术了解不多。在 GDC 理事会，我们举办学习会议，相互交流技术信息，参与的公司将他们的技术结合起来，共同创建原型。

技术含量高，但在日本没有用户

　日本在光子（光）和电子（电）方面都拥有较高的技术，因此其光电融合技术也处于世界一流水平。然而，日本的一个主要问题是没有用户大量使用采用光电融合技术制造的半导体芯片。具体来说，用户是像 NVIDIA 和 Intel 这样设计、制造和销售先进半导体的公司。

　倾听用户的意见对于创造受市场支持的产品非常重要。参加GDC理事会的公司主要是日本公司，但NVIDIA和Intel也作为顾问参与，并被要求提供原型方面的建议。

未来展望

光电聚变的最终目标是用光代替一切

　光电融合的最终目标是用光信号代替计算机交换的所有电信号。它利用光进行计算，并利用光与其他半导体芯片和计算机传送结果。尽管利用光信号进行基础人工智能计算已经取得了一些成功的成果，但用光信号代替一切还需要一段时间。如果实现的话，这将带来具有终极节能性能的高速计算机。 （AIST 杂志“世界上第一个成功的仅使用硅光子集成电路的神经网络计算」）

　然而，尽管不可能利用光进行通信，但利用光进行计算却极其困难，并且仍然需要大量的技术发展才能使其成为现实。光电研究中心预测，可以利用光进行计算的计算机将在2050年代至2060年代出现。

全日本体系让光电聚变技术成为日本的武器

　在日本，NTT 正在推进一个名为“IOWN”的项目，作为其光电融合努力的一部分，特别是展示其在通信和网络领域的优势。 GDC 理事会和 IOWN 正在加强合作，AIST 研究人员在 IOWN 会议上展示他们在光电融合方面的研究成果。

　

　此外，经济产业省的《半导体/数字产业战略》将光电融合技术定位为日本半导体产业与世界竞争的重要技术。发展使半导体更加节能、高性能的光电融合技术不仅对于解决世界能源问题具有重要意义，对于日本工业也同样重要。

产业技术研究院以光电融合研究中心为中心，推进硅光子学、光电共封装、光开关路径网络等尖端光子学研究，并通过与电子技术的合作，推动光电融合技术的研发。我们的目标是通过光电融合技术大幅提高日本的产业竞争力，帮助日本半导体产业重新在世界上占据一席之地。